Co to znaczy „Czyste Technologie Węglowe” ?

Wdrażanie innowacyjnych technologii decyduje o rozwoju gospodarki krajowej. Czyste

Technologie Węglowe z pewnością do nich należą, a ponieważ energetyka europejska w
znaczącym stopniu opiera się na wykorzystaniu węgla, ich rozwój to niezwykle aktualny temat.
Co się jednak kryje pod tym pojęciem?

Analiza wielu pozycji literaturowych, w szczególności opublikowanych w ostatnich latach w

kraju i za granicą, skłania do refleksji, że pojęcie „Czyste Technologie Węglowe” (CTW) coraz
powszechniej jest ograniczane do technologii nieszkodliwej dla środowiska i ekonomicznie
uzasadnionej utylizacji węgla, zwłaszcza od momentu, gdy zidentyfikowano problem
niekorzystnych zmian klimatu Ziemi, wskutek emisji tzw. gazów cieplarnianych. Takie podejście
różni się od tradycyjnego pojmowania zakresu tematycznego CTW, na przykład według programu
Clean Coal Technologies realizowanego w USA. Z założenia zakres tematyczny programu
obejmował różne aspekty zarówno produkcji, jak i utylizacji węgla. W międzyczasie termin: „Clean
Coal Technologies” (Czyste Technologie Węglowe - CTW) rozpowszechnił się i obecnie jest
używany w odniesieniu do wszelkich działań zmniejszających uciążliwość ekologiczną produkcji i
utylizacji węgla.

Przez czyste technologie węglowe należy rozumieć technologie zaprojektowane w celu

poprawy skuteczności wydobycia, przeróbki, przetwarzania oraz utylizacji węgla
i zwiększenia akceptowalności tych procesów z uwagi na ich wpływ na środowisko naturalne.

Można wyróżnić cztery główne podobszary, z którymi wiążą się CTW:

 wydobycie węgla i przeróbka (tzw. mechaniczna przeróbka węgla),

 transport, składowanie węgla i uśrednianie węgla,
 wykorzystanie węgla (w energetyce oraz przetwórstwo węgla),

 zagospodarowanie „pozostałości” z wydobycia i wykorzystania węgla, czyli różnego rodzaju

odpadów
Powyższy podział, chociaż został przeprowadzony według „ogniw łańcucha węglowego”, nie

jest w rzeczywistości tak jednoznaczny, jak to z pozoru wygląda. Pewne specyficzne dla danego
podobszaru działania mogą być mechanizmami realizacji celów CTW w innych podobszarach.
Przykładem może być „zagospodarowanie pozostałości z wydobycia i wykorzystania węgla”.
Oprócz zasygnalizowanych w dalszej części niniejszego tekstu różnorakich działań, jednym ze
sposobów zagospodarowania pewnej kategorii „odpadów” może być ich spalanie – przypisane
podobszarowi „wykorzystania węgla”. Wiązać się to może z wykorzystaniem technik spalania w
złożu fluidalnym. Inny przykład: techniki właściwe przeróbce węgla – usuwanie zanieczyszczeń
typu substancja mineralna (niepalna) z paliwa przed jego wykorzystaniem, może być realizowana
już u użytkowników węgla. Można tu zaliczyć techniki usuwania zanieczyszczeń z węgla po jego
głębokim zmieleniu przed spalaniem, realizacji którego to mielenia nie sposób sobie wyobrazić u
producentów węgla. Można takie przykłady mnożyc.

Zakres tematyczny CTW jest zatem bardzo szeroki. Opracowano i wdrożono już wiele różnych

technologii i rozwiązań, które można zaliczyć do CTW. Pozwoliły one, przy relatywnie niskich
kosztach, wyeliminować lub przynajmniej w poważnym stopniu ograniczyć szkodliwy wpływ
eksploatacji, przeróbki, przetwórstwa i utylizacji węgla na środowisko naturalne i zwiększyć ich
skuteczność. Poniżej wymienia się szereg już podjętych i podejmowanych działań oraz kierunków
prac badawczo-rozwojowych w obszarze CTW. Wyszczególnienie to nie jest z pewnością
równoznaczne z wyczerpaniem tematu. Wręcz przeciwnie, zarówno ciągły rozwój naukowy, jak i
obszerność tematu czynią zamiar zupełnego wyczerpania tematu zadaniem niemalże niemożliwym.

1. Podobszar wydobycia i przeróbki węgla.

Ważnym określeniem użytym w definicji CTW jest skuteczność. Skuteczność pojawia się

najczęściej w kontekście sprawności konwersji energii chemicznej zawartej w paliwie na energię
elektryczną i cieplną w energetyce. Można jednak wymienić wiele innych miar skuteczności
dotyczących CTW, najczęściej powszechnie znanych. Jedną z nich jest „czystość” eksploatacji
węgla. „Czystość” eksploatacji można powiązać z zagadnieniem „wystarczalności” zasobów węgla
w Polsce. O wystarczalności zasobów decydują nie tylko same ich rezerwy w sensie geologicznym,
ale również sprawność, z jaką, przy ekonomicznie uzasadnionych kosztach, można uzyskać urobek
węglowy. Z dostępnych danych wynika, że sprawność wykorzystania węgla, w odniesieniu do
zasobów bilansowych węgla, jest w Polsce bardzo mała.

Zmniejszanie skuteczności wydobycia jest wynikiem koncentracji produkcji i zaistniałej

monokultury technologii eksploatacji węgla w Polsce. Z uwagi na konieczność zmniejszania
kosztów wydobycia, za korzystne uważa się urabianie węgla kombajnami ścianowymi. Nie
wszystkie jednak fragmenty złoża można wydobyć z zastosowaniem kombajnów ścianowych.
Pozostawienie resztki złoża, to nie tylko zmniejszenie skuteczności jego eksploatacji, ale również
stworzenie skomplikowanych warunków osiadania górotworu za frontem eksploatacyjnym, co
wiąże się ze zwiększonym oddziaływaniem wydobycia węgla na powierzchnię i bardziej złożonym
przebiegiem jej deformacji, co w efekcie potęguje występowanie szkód górniczych.

Z kolei selekcja wydobywanych węgli, wzbogacanie urobku węglowego i tworzenie mieszanek

węglowych to podstawowe działania podejmowane by spełnić wymagania jakościowe
użytkowników węgla.

Przeróbka węgla, z najważniejszymi procesami wzbogacania, ma na celu uzyskanie paliwa

węglowego o najwyższej jakości, pozbawionego w maksymalnym stopniu różnorakich
zanieczyszczeń naturalnych i innych, które mogą trafić do urobku węglowego. Nie ulega już
wątpliwości, że nie można w standardowych procesach przeróbczych wyprodukować paliwa
węglowego, którego spalanie i inne wykorzystanie nie wiązałoby z emisją różnorakich
zanieczyszczeń o ponadnormatywnych wartościach. Tym niemniej przeróbka węgla jest
nieodłącznym elementów CTW w łańcuchu węglowym, choćby z uwagi na fakt zmniejszania masy
transportowanego paliwa węglowego wskutek usunięcia z niego masy niepalnych i szkodliwych
zanieczyszczeń.

Istnieje szereg metod wzbogacania węgla i jego demineralizacji. Najskuteczniejszymi z nich są

metody „głębokie” bazujące na dużym rozdrobnieniu oczyszczanego węgla, co sprzyja uwalnianiu
zawartych w nim minerałów. w procesach: flotacji, aglomeracji olejowej, rozdziału w cieczy
ciężkiej, elektroseparacji, bioprocesów separacji chemicznej i inne. Technologie takie są wciąż na
etapie rozwoju i ich koszty wciąż przekraczają uzyskiwane z ich stosowania korzyści.

Ocenia się miedzy innymi, że oczyszczenie węgla w procesie produkcji – wzbogacanie węgla w

zakładach przeróbczych – i utylizacja paliwa o minimalnej zawartości zanieczyszczeń – balastu (w
tym wilgoci) - może dać co najmniej 2–3% poprawę sprawności konwersji energii chemicznej
paliwa na energię elektryczną i cieplną.

Również inne działania z pogranicza przeróbki węgla zasługują na miano CTW. Dzięki

szerokiej działalności badawczo-wdrożeniowej w ostatnich latach nastąpiło rozszerzenie oferty
paliwa węglowego poprzez produkcję:

 paliw węglowych o indywidualnych wymaganiach
 pyłu węglowego

 „ciekłego” węgla

 paliw korygowanych dodatkami
 paliw mieszanych

2. Podobszar transportu i składowania węgla

Ocenia się że ponad 60 % światowej produkcji węgla wykorzystuje się w odległości nie

większej niż 50 km od miejsca produkcji. Tym niemniej, przewóz węgla jest ważnym etapem
łańcucha węglowego. Około 10% produkowanego węgla jest natomiast przedmiotem handlu
międzynarodowego. Uzasadniona jest więc produkcja węgla o maksymalnej kaloryczności, czyli
pozbawionego niepalnych zanieczyszczeń mineralnych. Koszty transportu jednostki energii
chemicznej zawartej w paliwie są wówczas najmniejsze.

Przykład CTW w zakresie składowania węgla wiąże się z pyleniem, co oprócz aspektu

ekologicznego (pyły w środowisku), może mieć też aspekt ekonomiczny (straty paliwa). Są to
jednak ilości niewielkie i dotąd precyzyjnie nieoszacowane. Rozwiązaniem problemu mogą być
preparaty, których stosowanie powoduje utrwalanie i zaskorupianie powierzchni węgla w środku
transportu, co wyraźnie zmniejsza pylenie.

3. Podobszar utylizacji i przetwarzania węgla

W tym podobszarze tematycznym obserwuje się obecnie największą aktywność w zakresie

opracowywania nowych CTW, zwłaszcza w odniesieniu do redukcji emisji CO

2

. Jedne z

najbardziej zaawansowanych prac badawczych obejmują obecnie również upłynnianie i
zgazowanie węgla, w tym zgazowanie w złożu. Główny Instytut Górnictwa aktywnie uczestniczy w
i w tym nurcie.

Prowadzone są także badania nad możliwością powiązania przemysłowych procesów

chemicznych, hutniczych i produkcji materiałów budowlanych z pozyskaniem energii cieplnej i
elektrycznej.

Jednym z ciekawszych rozwiązań w tym zakresie jest produkcja metanolu i amoniaku w

połączeniu z wytwarzaniem energii elektrycznej w oparciu o zgazowanie węgla.

Zero-emisyjna produkcja energii z paliw kopalnych to jeden z najważniejszych obecnie

nurtów badawczych. W tym temacie powołano również Europejską Platformę Technologiczną .

Generalizując istniejące rozwiązania w tym obszarze można podzielić na:

1. technologie oczyszczania spalin
 odsiarczanie przy użyciu różnego rodzaju sorbentów
 selektywną redukcję katalityczną

 odazotowanie metodami amoniakalnymi

 usuwanie CO

2

metodami chemicznymi i fizycznymi

 sekwestracja CO

2

w podziemnych strukturach geologicznych.

2. Spalanie, w tym

 nadkrytyczne i ultra-nadkrytyczne siłownie z kotłami pyłowymi

 siłownie z atmosferycznymi, cyrkulacyjnymi kotłami fluidalnymi w tym na

parametry nadkrytyczne, a decelowo ultranadkrytyczne (w Polsce, w Elektrowni
Łagisza w Będzinie, budowany jest aktulanie największy w świecie blok fluidalny
na parametry nadkrytyczne

 układy spalania w atmosferze wzbogaconej w tlene (oxy – comustion)

3. Zgazowanie

 wysokosprawne układy zgazowania węgla, biomasy i odpadów (IGCC)

 zgazowanie podziemne

Osobną grupę łączącą różne zagadnienia dwóch ostatnich sposobów wykorzystania węgla stanowią
układy hybrydowe.

4. Trigeneration – uwzględnienie dodatkowo zapotrzebowania na czynnik chłodniczy
5. Polityka wodorowa

Jak już wspomniano w podobszarze wykorzystania węgla najwięcej uwagi w zakresie CTW
poświęca się redukcji negatywnego oddziaływania na klimat ziemi emisji gazów cieplarnianych ,
głównie CO

2

. Wychwytywanie, transport i usuwanie CO

2

oraz wiążące się z nimi zagadnienia

prawne, szeroko rozumianego bezpieczeństwa ich wdrażania oraz zapewniania akceptowalności
lokalnych społeczeństw jest przedmiotem ogólnoświatowych działań.

4. Zagospodarowanie „pozostałości” z produkcji węgla i energetyki

Na odpady z produkcji węgla składają się głównie odpady z przeróbki mechanicznej i odpady z

robót przygotowawczych. Obecnie sukcesywnie zmniejsza się ilości skały płonnej
zagospodarowywanej w dotychczasowy „bierny” sposób, tj. przez składowanie na hałdach i
zwałowiskach, na rzecz bardziej opłacalnych, i bardziej przyjaznych dla środowiska,sposobów
zagospodarowywania. Sposobami zagospodarowywania odpadów górniczych są:
 gospodarcze wykorzystanie istniejących hałd pod kątem odzysku zawartego w nich węgla oraz

do produkcji kruszyw,

 wykorzystanie odpadów do rekultywacji oraz prac inżynieryjno-technicznych,

Własności ubocznych produktów spalania, umożliwiają wykorzystanie ich do makroniwelacji

oraz rekultywacji terenów zdegradowanych morfologicznie. Wynika to z ich aktywności
hydraulicznej. Wyróżnić można następujące kierunki wykorzystania odpadów paleniskowych:
 prewencję pożarową w rekultywacji odpadami górniczymi
 makroniwelację terenu, wypełnianie wyrobisk, poprawę parametrów geotechnicznych

 budowę dróg i nasypów kolejowych

Odpady z energetycznego spalania węgla stwarzają nieco większe możliwości potencjalnego

zagospodarowywania. Szczególnie interesujące jest zagospodarowywanie mikrosfer powstających
w procesie spalania węgla, a także rzadko spotykanych odmian minerałów, takich jak na przykład
odpornego na wysokie temperatury mullitu. W przyszłości zastosowanie odpadów paleniskowych,
ze względu na własności sorpcyjne, będzie również możliwe do budowy reaktywnych barier
hydrogeologicznych. Zdolności sorpcyjne popiołów mogą zostać wykorzystane również do
zatrzymywania zanieczyszczeń migrujących w środowisku wód podziemnych.